基于Multisim 14的50Hz陷波器的设计与仿真

江阴职业技术学院电子信息工程系 张文洁

生物电信号是一种强噪声背景下的低频微弱信号，消除50Hz工频干扰成为生物电测试设备中的重点问题之一。为了设计和优化50Hz工频陷波器电路，本文针对双T型阻容有源陷波器和非对称有源陷波器两种结构，选择了典型的阻容参数，采用 Multisim 14进行仿真实验，模拟、分析、 验证所设计电路的性能。实验数据证实：双T型阻容有源陷波器和非对称有源陷波器都能达到高精度的陷波效果，但双T阻容有源陷波器只能调节品因素，中心频率不可调，而非对称有源陷波器可同时调整中心频率和品质因素。结论：非对称有源陷波器对元器件的精度要求低，利于业余条件的制作，较之双T型有源滤波器更具优越性和实用性。

生物电信号反映人体的生命状态（如心电信号），是一种强噪声背景下的低频微弱信号。由于其信号的源阻抗高，易受外界信号的干扰，尤其是50Hz的电网信号正好在心电信号的频率范围内，所以生物信号放大装置大多采用了专用仪表放大器以及专门提高共模抑制比的方法，但仍然不能完全消除市电电源信号的干扰。因此，消除此干扰成为生物电采集设备中的重点问题之一。

下文针对双T阻容有源陷波器和非对称有源陷波器，分别进行理论分析和仿真，为生物电测试技术中工频干扰的抑制提供可选的方案。

1 双T型有源滤波器的分析与仿真

目前广泛采用的是双T型有源滤波器，其理论计算和设计都比较成熟，其典型结构如图1所示。

图1 双T型有源滤波器原理图

图1的元器件参数满足以下条件：

假设放大器为理想放大器，根据基尔霍夫定律，可推导出其传递函数如下：

其中：

由此可得陷波器中心频率为：

通过调节RV1，可以调节反馈深度，从而调节品质因数，当K增大，滤波器的Q值也越大，频率选择性越好；且Q值的调节与和陷波器的中心频率无关。

针对生物电信号测量电路，本设计对实验电路参数的选取是针对50Hz工频干扰信号，电路结构如图2所示。

图2 50Hz双T型陷波器

图2中元件参数关系如下：

理论计算中心频率：

上述电路通过multisim14软件进行仿真，得到如图3的幅频特性曲线。

从图3（a）可以看出，当RV1调节为50%时，陷波深度约为-43dB；从图3（b）可以看出，当RV1调节为100%时，陷波深度约为-37dB。同时，从波特图中可直观地看成出，调节RV1越趋向100%，选择性越好，也说明反馈系数相对大，Q值也大。但Q值越大时，中心频率的陷波深度会降低。

图3 50Hz双T型陷波器的幅频特性

从图2和式（3）可知，双T型陷波器的中心频率完全由阻容元件参数决定，对元件的对称性和元件的精度要求很高，否则直接影响陷波频率，因此对制工艺和器件的筛选提出了更高的要求。更大的问题是中心频率一旦设定就不能调整，而实际市电频率往往有偏差，且干扰强度也随使用环境不同而变化，因此，这些因素实质上限制或影响了双T型陷波器的使用效果。

2 非对称有源陷波器的分析与仿真

为解决双T型陷波器中心频率不可调的问题，下面采用特殊的非对称阻容网络构成陷波器回路，实现陷波器的中心频率和Q值调整的目的，其线路结构如图4所示。

图4 非对称有源陷波器原理图

假设图4中的元器件参数满足以下条件：

利用基尔霍夫定律和H参数进行分析计算，则其传递函数为：

为方便设计，令：

则传递函数的幅频特性和相频特性：

其中：

陷波器中心频率可以通过RV1调整，其表达式为：

ω0的可调范围为ω0min～ω0max，那么：

图5中的模拟实验线路参数的选取是针对市网电源信号的陷波，取参数为：R1=1M，R201=6.8K，R301=150K，RV1=10K，RV2=10K，C=47nF。

图5 50Hz非对称有源陷波器

根据图5所示的50Hz非对称有源陷波器的电路参数，代入式(8)和式(9)，计算可得中心频率的可调范围为39Hz～59Hz，说明能满足当前50Hz市网电源信号的陷波要求。

通过multisim14仿真，保持RV2 100%不变，将RV1调节为100%和0%，可以仿真出中心频率的可调范围，如图6和图7的幅频特性所示，中心频率可调范围为38.99～59.024Hz，与理论计算一致。

图6 RV1调节为100%时的幅频特性

图7 RV1调节为0%时的幅频特性

将RV1调节到28%，RV2调节到100%，可得到图8的幅频特性曲线和图9的相频特性曲线。

图8 50Hz非对称有源陷波器的幅频特性

从图8的幅频特性可以看出，当RV1调节为28%时，中心频率约为50Hz，陷波深度约为-25dB，此时RV2调节为100%时，Q值最大，选择性最好。

从图9的相频特性可以看出，在中心频率处，相位连续变化而不发生跳变，因此可获得较高的Q值且不产生自激振荡。

图9 50Hz非对称有源陷波器的相频特性

从以上的理论分析和仿真结果来看，非对称有源陷波器利用两个电位器可分别调整中心频率和Q值，且能达到高精度的陷波效果，能有效地消除市网电源信号和其它特定频率信号的干扰。

结论：理论分析和仿真实验表明，无论是双T型有源滤波器还是非对称有源陷波器，都能有效消除市电网电源信号和其它特定频率信号的干扰，Q值均可通过调节反馈深度来调节。区别是双T型有源滤波器的中心频率不可调，且对元器件的精度要求很高，否则达不到应有的效果。而非对称有源陷波器的中心频率可调，Q值可调，对元器件的精度要求大大降低，且能达到较高的陷波效果，能更好地用于生物信号放大器和其它的精密放大器，也降低了业余制作的难度，在教学中能更好地应用。